JPH0612726B2 - 超電導磁石の改良シミング方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、超電導磁石装置の分野に関するもので、特に
磁気共鳴測定のための磁場の均等性の制御に関するもの
である。

〔発明の背景〕 磁場の均等性の範囲の精度は、高分解能磁気共鳴現象の
達成可能な精密度のために、制限されるという状況にあ
った。分析核磁気共鳴分光計に対して、均等性からのず
れは、典型的には１cmのオーダーの大きさにつき、３×
１０^−９以下である。ＮＭＲ影像装置の目的のために、
人体の大きさと大体同じ大きさに対して正確で再現可能
な磁場勾配を作ることが望まれる。これらの応用のどち
らも、磁場勾配の制御を必要とする。

異常な勾配の制御（シミング(shimming)）は、普通反対
の符号又は方向で同じ大きさの勾配を付加することによ
って行い、その異常を相殺する。いくつかの異なる方向
の勾配は、それに対応する修正が必要であり、高特性の
磁石装置は、磁場の望ましくない空間状態を修正するた
めの多くのシミングコイルによって特徴付けられてお
り、現在のＮＭＲ影像装置では望ましい空間依存性を確
立している。磁石構造物の外側で、普通に現れる依存性
は磁場の多重極拡張の付随したものとして考慮されても
よいものである。従って、微視的な大きさの要素全体に
わたって磁場のゼロ勾配の空間依存性を望むとき、球面
調和関数は、主界磁コイルの多重極磁場を形成する高次
の多重極項を相殺するように働くシミングコイルシステ
ムによって合成される。この合成は、純正の多重極要素
を理想的に表わす複数のシムコイルによって成し遂げら
れる。

普通の形状において、ソレノイド内部の軸線上又はその
付近の磁場は、場の分布が制御されるべき重要な量であ
る。その磁場は、次のように対称中間面の軸線上に中心
が置かれた球内及び磁石内部の座標ρ（ａ_１＝半径）及
びθの点に対して、動径方向と軸線方向に分解すること
ができる。

上式において、Ｐ_ｎ（ｃｏｓθ）は、ｎ次のルジャンド
ル多項式で、その係数Ｅ_ｎはテーラー級数係数で、例え
ば である。

Ｚ軸に沿う軸線上と中心面の特別な場合に対して、各々
上記の表現は次のように変形される。

ソレノイド設計の詳細は、本目的の範囲外である。関連
した議論は、モンゴメリーによるソレノイドマグネット
デザインの中でされている（ワイリー・インターサイエ
ンス、１９６９年）。

望ましい空間依存性からのさらに一層のずれは、特有の
要素の構造から生じる。例えば、主磁場はソレノイドか
ら得られるが、ソレノイドの構造のために、普通、付加
的な軸線方向及び横方向の成分が存在する。構造の細部
によるこのような勾配の修正の詳細な例は、米国特許第
4,213,092号に与えられている。

ＮＭＲ分光計の場合、ソレノイドの内側の場は、除去さ
れるべき軸線方向及び動径方向の小さな勾配を除き、一
定の強さで、一定方向である。このようなソレノイド及
び勾配の除去の先行技術による構造は、米国特許第3,28
7,630号、同第3,419,904号、同第3,564,398号、同第3,5
77,067号、及び同第4,180,769号に説明されている。

ＮＭＲの磁場の欠くことのできないシミングが、シムコ
イルの個々の対がこのようなコイルの対の相互インダク
タンスによって相互作用するために、しばしば長たらし
い処理となることは、ＮＭＲの分野の当業者にはよく知
られている。場の依存性に対する望ましい許容量に達す
るために、反復の処置が一般に必要とされる。超電導シ
ムを含む持続(persistent)モード超電導磁石装置の場合
において、さまざまな永久電流を変えることに欠くこと
のできない工程のために、操作はさらに長たらしくな
る。

超電導磁石装置は、低温保持装置の内部の磁石と、その
外部の制御装置との間の望ましい熱的な絶縁のために、
なお一層の制約を受ける。

先行技術において、持続モード磁石のいくつかの独立し
た要素を選択的に励磁するには、磁石低温保持装置の内
部と外部との間を導通するために必要な導線の数を最小
にすることによって、熱の損失を減少させるという特別
な改善をしなければならないことがわかっていた。この
目的の達成を目ざしたいくつかの実施例が米国特許第4,
173,775号（この出願と一緒に譲渡されている）で議論
され、特許が請求されている。

初期の従来技術は、いくつかのシム部品を独立に励磁す
るのに十分なリード線を、独立に備えていた。これは、
非常に適応性のある反復処理を可能にするが、低温保持
装置の内部から外部へ伸びている多数のリード線は、低
温保持装置の内部と外部の間の熱的絶縁を不必要に減少
させ、従って、沸騰による低温液体の消費率が増加す
る。

米国特許第4,164,777号で説明されている選択式持続ス
イッチ機能が、ダイオードを基本とするデバイスで達成
され、そこでダイオードによって発生する熱（順バイア
ス）が、超電導の一部を通常の状態に変換するのに十分
であることが知られていた。この先行技術はもともと１
つ以上の持続(persistent)スイッチを同時に起動するこ
とができたが、各々のスイッチにおける電流の制限は行
なえなかった。結果として、どんな選ばれたスイッチも
スイッチ機能に対して必要以上に発熱し、低温液体の浪
費となっていた。

〔発明の目的及び概要〕

本発明の目的は、超電導磁石装置の超電導シムコイル間
における相互インダクタンスの相互作用によってもたら
される複雑化を、最小にすることである。

本発明の他の目的は、対になった持続モード超電導磁石
巻線を選択的に励磁するための、熱効果制御手段を提供
することである。

さらに本発明の他の目的は、低温液体の不必要な消費を
防ぐために、持続スイッチで発生する熱を制限すること
である。

以上の目的は、相互作用している対になった磁石巻線が
同時に励磁される磁石装置において実現される。従っ
て、相互作用している対に対する相互インダクタンスの
項は、 で与えられる。これは、超電導装置において、各々の特
定の対における持続スイッチを付勢するためのダイオー
ドアレー(array)として回路要素を配置することにより
達成される。これらの持続スイッチによって制御される
コイルを付勢するための電力は、２つの分離した電流調
節電力源１及び２によって供給されるが、それらはその
電流調整特性により の相関関係がある。従って、望ましい対のコイルは、こ
の発明の概要に従ったダイオードアレーを指命すること
で選択され、各々の磁石巻線に対する場の電流は、１つ
の電源からみた付加的ロード（又はシンク）が他の電源
に関して付加的供給源に相当するように別々に供給され
る。電流調節特性は、各々の回路を補償する。

〔発明の好適実施例〕

第１図を参照すると、超電導磁石装置を用いた核磁気共
鳴分光計が描かれている。試料１１は、その磁気共鳴特
性を分析するためにガラスびん１２の中に配置され、従
って、超電導ソレノイドコイル１３の内側の軸空間中に
生じる均等な磁場Ｈ_ｏ中に置かれる。典型的な分光計で
は、一対のトランスミッターコイル１４は、それらコイ
ル１４の軸線を相互にそろえ、且つＨ_ｏの磁場を横切る
ようにしてソレノイドコイル１３の軸線空間内のガラス
びん１２上に配置されている。トランスミッターコイル
１４は、試料に電磁照射するためにＲＦトランスミッタ
ー１５から誘導されたＲＦエネルギーと応答している。
受信コイル１６は、試料１１からその共鳴特性を誘導す
るために、試料１１の近傍でコイル１４及び磁場Ｈ_ｏの
相方の軸を横切って配置されている。受信コイル１６と
導通しているＲＦ受信器１７は、共鳴信号を増幅し検波
している。

超電導磁石すなわちソレノイドコイル１３は、デュワー
瓶２０の中の比較的に細いスリーブを通って伸びている
１８Ａで表わしたリード線で導通しているＤＣ電力供給
装置１８によって付勢され、リード線１８Ａはデュワー
へと伸びて略示的に示され、連合したどの巻線にもある
ソレノイドコイル１３を付勢するために接続されてい
る。それに反応して、比較的高度に均等な磁場Ｈ_ｏが試
料１１の体積をつらぬいている。１０^２キロガウスのオ
ーダーの磁場の強さが、一般に使われる。超電導磁石装
置の磁場が十分であると思われたときに、それはパワー
源から断線され得る。そして、磁場が磁石巻線の超電導
特性による永久循環電流によって維持される。持続(per
sistence)スイッチの制御は、リード線１９Ａを通って
低温保持装置の内部の要素に通じているコイル選択装置
１９によって表示されている。

試料１１の特性の共鳴スペクトル分布を得るために、ト
ランスミッター１５は、正確に形成されたＲＦエネルギ
ーのパルスをコイル１４に供給する。そして、広い周波
数成分の分布を有するこれらのパルスは、選択的に試料
に吸収される。受信コイル１６は、試料１１からの再輻
射のエネルギーを捕え、受信器１７は、時間依存の信号
のデジタル化及びＲＦ処理に続いて、装置４１に表示し
又は記録するためのＮＭＲスペクトル分布が得られるフ
ーリエ変換計算を行う。

超電導磁石装置すなわちソレノイドコイル１３は、磁石
部品が超電導相の特性を示す極低温に保たれる。好適実
施例において、この極低温は、外部アルミニウムのシェ
ル２１を有し、約７７゜Kの液体窒素を入れる貯蔵器２２
をそなえたデュワー瓶２０によって実施されている。液
体窒素の貯蔵器２２の下方には、さらに液体ヘリウムを
満した貯蔵器２３がある。貯蔵器２３は、超電導磁石装
置すなわちソレノイドコイル１３が内部に備えられてい
るシリンダー１２４の回りを取り巻いている。約１０
^−５トルといった典型的な真空に保たれた真空空間部分
が、貯蔵器２３の壁２４と熱放射シールド２８の側壁２
６及び床２７との間と同様に、壁２４と貯蔵器２２の床
２５との間に形成されている。貯蔵器２３のすぐ外側に
接している真空空間部分には、さらに熱放射シールド２
９がある。さらに真空空間部分が、熱放射シールド２８
の壁２６及び床２７と同様に、貯蔵器２２の上部３１及
び側壁３２とシェル２１との間に形成されている。この
空間部分に、もう１つの熱放射シールド３３が設けられ
ている。デュワー瓶２０の外部から超電導磁石装置すな
わちソレノイドコイル１３への熱の流れを最小にするこ
とを補助するために、シールド３３、上部３１、床２５
及びシールド２９には各々スリーブ３４、３５、３６が
設けられており、それらは全て、貯蔵器２３の内部を貫
通している穴３７と中心を同じくしている。穴３７は、
スリーブ３８と同軸であり、デュワー瓶２０の上下間に
伸びている。超電導磁石装置すなわちソレノイドコイル
は、スリーブ３４−３６と同軸であり、磁場Ｈ_ｏもまた
スリーブの共通の縦軸線と同じ方向に伸びている。この
装置のデュワー瓶の構造は、米国特許第4,212,169号、
同第4,291,541号及び米国特許第5,063,651号に詳細に記
載されている。超電導磁石装置すなわちソレノイドコイ
ルの主構造は、米国特許第4,180,769号に記載されてい
る。

第２図において、点線の囲い部分がデュワー瓶２０を表
す。主ソレノイド５２にリード線５５及び５６を通し
て、電流調節電力源５４によって電流供給がされてい
る。下記の方法で制御される持続スイッチ５８は、主ソ
レノイド分路５９の一部に対して、通常又は超電導の相
を選択する。分路５９が超電導となっているときに、主
電力源５４の接続を切りはなしてもよい。また、ソレノ
イドの磁場は、ソレノイド５２及び分路５９から成る超
電導グループ(group)における循環電流によって、持続
モードに維持される。

勾配修正のためのシムコイルは、２つのグループ６２及
び６４に編制されていて、各グループは、個々の対応し
た電流調節電力源６６及び６８により、各々リード線７
０及び７２、並びに２つのグループに共通なリード線７
４を通って独立に付勢される。

ここで、一本のリード線を省くことができることに気が
つくであろう。（それによって、低温保持装置の熱的浪
費が減少する）。実際にリード線５６及び７０は同一導
線である。

数個の勾配修正コイルは、Ｈ_ｚ及びＨ_ｒで表わされる項
に対応する磁場を作り出すように設計されている。横方
向の勾配のいくつかの組合せも準備されている。

ある勾配修正コイル間の相互インダクタンス結合は、続
く偶数次の、例えばＨ_ｏ、Ｈ_２、及びＨ_４の軸線方向の
勾配に対して最も著しい。奇数次の勾配は、反対のヘリ
シティ(helicity)を有する組になったシムコイルによっ
て相殺され、それらの間の相互インダクタンスは、主に
精確な幾何学的な許容差によって制限され、従って、奇
数次の勾配のコイル間の結合の強さは、普通次の低い偶
数次の勾配に比べてより小さい。グループ６２の個々の
分路が、グループ６４内のいくつかの修正コイルの分路
と次のようにして対となることが望ましい。すなわち、
いずれかのグループの要素同士が、選択されたコイルの
対の間で反復調整シーケンスを避けるために、持続動作
していない間、それらの相互インダクタンスによって強
く結合されるように、対を構成する。このような対はそ
れらの相互インダクタンスを介して相互作用しており、
それぞれ、各々の電流調節電力源６６及び６８と通じて
いる。各電流調節電力源は選択されたコイルに流れる電
流を調節するためのパラメータを有し、そのパラメータ
は例えば抵抗器であって、一方のコイルに流れる電流の
変化による他方のコイル内の誘導電流の変化を補償する
ように働く。従って、１つのこのような電力源に対する
ロードとして現われている１つの回路中の誘導要素は、
電流シンク(sink)として働く他の電力源によって、相互
に作用している回路中に吸収される。同様に、主ソレノ
イドは、それに強く結合した修正コイルに対してソース
またはシンク機能として、同時に動作するであろう。

選択されたコイルの相関関係は、デコーディングアレー
７６において成し遂げられる。デュワー瓶２０の内部及
び外部を電気的に連結する複数のリード線７８からの信
号は、デコーディングアレー７６によってデコードさ
れ、グループ６２におけるＮ₁個の持続スイッチ（８
０、８２、から８４_N）及びグループ６４におけるＮ₂個
の持続スイッチ（８６、８８、から９０_N）、及び／又
はそれぞれのグループから１つづつで対になったスイッ
チ及び／又は主コイルを含めることによる三つ組のスイ
ッチを働かすよう作用する。

ある特定の例において、対になった相互作用のないコイ
ルは、共通の電力源からの励磁に対して互いにグループ
に集められる。各々の電流調節電力源から同時に励磁さ
れた時、相互インダクタンスの相互作用は、自動的に補
償される。主ソレノイドの磁場Ｈ_ｏは、分離電流調節電
力源から励磁され、そして下記のスイッチ選択回路網の
容量内でシムコイルの選択されたものと関連付けられ得
る。例えばＨ_ｏは、電流調節電力源５４によって個々が
励磁されるだけでなくＨ_２及びＨ_４と同時に励磁される
であろう。表１は、グループ分けの一例である。

デコーディングアレー７６は、いろいろな形にとっても
よい。１つの簡単な一般的アプローチは、８進(octal)
又は１６進(hexadecimal)デコーダーに対するバイナリ
ーである。さらに特別なデコーディングアレーは、第３
図に示され、さらに表２において分解されている。これ
は４本のリード線デバイスで、このデバイスは、４本の
リード線の対の間において１２の個々の機能を満たすこ
とができる。

表２中、＋−はＤＣポテンシャルの高低を表す。Ｘ、
Ｙ、ＸＹ、ＹＺ及びＸ^２−Ｙ^２は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｘ
Ｙ方向、ＹＺ方向及びＸ^２−Ｙ^２方向（四重極方向）成
分の傾斜磁場を補正するコイルのスイッチに対応してい
る。また、Ｚ、Ｚ^２、Ｚ^３、Ｚ^４は磁場のＺ方向成分の
展開次数（１から４）に対応するところの磁場を補正す
るコイルのスイッチを表す。さらに、ＭＡＩＮは主ソレ
ノイドコイルのスイッチを表し、Ｓｐａｒｅはコイルに
無関係のスイッチである。

本発明のスイッチ選択は、スイッチの同時選択が過度の
熱浪費にはならないことを保証することによって、上記
の手段をもって、おこなわれる。これは、そのスイッチ
を流れる電流を制限するために、各々のスイッチダイオ
ードと直列に抵抗を付加することで達成される。順電圧
降下が0.35-0.84の範囲の典型的なダイオードに対し
て、１１ボルトで励起されまた１００ma(maximumE_f)に
制限される。必要な付加抵抗は2.9オームである。Ｅ_ｆ
の範囲の下端に対応する最大電流は、１３６maである。

第１の複数の同時に働くスイッチを形成するために端子
ＡをＤＣ励起電位につなぎ、スイッチ端子Ｂ、Ｃ及びＤ
を接地するとき、電流はＺ²ダイオードを通り端子Ｃ
へ、Ｚ⁴ダイオードを通り端子Ｄへ、そしてＭ(MAIN)ダ
イオードを通り端子Ｂへ流れる。一方、もしも端子Ａが
接地されるならば、端子Ｂ、Ｃ及びＤがスイッチすなわ
ちダイオードＺ¹、Ｚ³及びＸＺより高い励起電位に接続
されている間、スイッチは選択されるであろう。持続ス
イッチを働かせると、超電導相を通常の相に変換させる
のに十分な熱が超電導部分に移される。それ故、持続ス
イッチを入れることは、超電導コイルと分路から成る対
応した回路を通常の状態に戻すことである。本発明にお
いて、この操作を対方法(pair-wise)で実施されると、
相互の誘導相互作用に対する反復補償を必要とせずに一
対のコイルを調節可能にし、低温保持装置の内部に必要
な熱伝導体の数を最少にする。

同様に、第４図の３本のリード線装置（表３に分解され
ている）は、入力リード線の対の間において６つの個々
の機能を選択している間、更に導線の数を減らすことに
よって、低温保持装置の内部への熱損失を減小させる。
これらの機能は、並列での望ましい組合わせのために持
続スイッチの置き方を工夫することにより、多重スイッ
チ起動を含んでもよい。

第４図のデコーディング(decording)アレーに対する選
択可能な要素としてのスイッチの組合せはまた、第５図
に示され、表３に同様に分解されるように、対になった
スイッチを互いに直列に置くことによって成しとげられ
る。

複数のコイルを動作させる別の実施例は、各々が対応し
たコイルと結合する複数の超電導分路を含む持続スイッ
チを形成することで達成される。このような配列は第６
図に示され、コイル９２及び９３は、ダイオード９５及
び／又は抵抗９６から成る１つの熱源を使用する１つの
持続スイッチ９４によって制御される。持続スイッチ９
４を働かせると、ダイオード９５及び抵抗９６に流れる
電流により発生する熱で超電導相が破れ、超電導コイル
と分路を通常の相に戻す。

この説明は分光計に関連し、勾配の除去について提唱し
ているが、この発明はそれに限定されない。どのような
望ましい勾配又は場の形状の達成も、場の分布の調整の
ためにシミングコイルが必要とされる。さらに、この記
載は超電導磁石に関するものだが、一方、熱効率の増加
からの利益は、本発明に対して相入れない関係にあるの
ではない。

上記構成内で、多くの変化を成すことができ、見かけ上
はすこぶる異なる多くの本発明の実施例が、本発明の範
囲を逸脱することなく成され得るだろうから、上記記載
に含まれ、又は添付図で示された全ての内容は、実施例
と解すべきであり、限定を与えるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の超電導磁石装置を含んでいるＮＭＲ
分光計の断面図である。 第２図は、本発明に従ったシムコイルの、いくつかの対
における電流の同時調節の図である。 第３図は、任意の持続スイッチ又はいくつかのスイッチ
の対を選択可能に起動する、ダイオードマトリックスを
示す。 第４図は、与えられた持続スイッチ又はいくつかのスイ
ッチの対を選択可能に起動する、別のダイオードマトリ
ックスを示す。 第５図は、持続スイッチの対を選択可能に起動する、さ
らに別のダイオードマトリックスを示す。 第６図は、一対の超電導コイルを制御する持続スイッチ
を示す。 〔主要符号の説明〕 １３……超電導ソレノイドコイル １４……トランスミッターコイル １５……ＲＦトランスミッター １６……受信コイル １７……ＲＦ受信器 １８……ＤＣ電力供給装置 １９……コイル選択装置 ２０……デュワー瓶 ２２，２３……貯蔵器 ２４……壁 ２５，２７……床 ２６，３２……側壁 ２８，２９，３３……熱放射遮蔽 ３４，３５，３６，３８……スリーブ ３７……穴 ５２……主ソレノイド ５４，６６，６８……電流調節電力源 ５５，５６……導線（リード線） ５８……持続スイッチ ５９……主ソレノイド分路 ７６……デコーディングアレー １２４……シリンダー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マ−ビン・エイチ・アンダ−ソン アメリカ合衆国カリフオルニア州マウンテ ン・ビユ−・バン・ビユ−レン・サ−クル 1847番地 (56)参考文献 特開 昭54−125993（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コイルのいくつかの対が相互インダクタン
   スを通じて相互作用するところの、電気的に励磁された
   コイルによって形成される複数の磁場成分から所望の磁
   場分布を達成する超電導磁石のシミング方法であって、 前記対を形成しているコイルのうちの一方の第１コイル
   に第１電流調節電力源により調節された第１電流を供給
   する工程と、 前記対を形成しているコイルのうちの他方の第２コイル
   に第２電流調節電力源により調節された第２電流を供給
   する工程と、 前記第１及び第２電流を、その対応する前記電流調節電
   力源から供給し続ける間、前記第１または第２電流調節
   電力源のいずれかを調整することによって第１または第
   ２電流のいずれかを変化させる工程と、 から成り、 前記各電流調節電力源が前記相互インダクタンスによっ
   て生じる誘導電流に対しソースまたはシンクとして働き
   得るところの方法。
2. 【請求項２】実質的な相互インダクタンスを受ける複数
   の対となった相互作用誘導エレメントを選択的に調整す
   る超電導磁石のシミング装置であって、 対の一方の誘導エレメントと接続する第１電流調節電力
   源手段と、 対の他方の誘導エレメントと接続する第２電流調節電力
   源手段と、 前記誘導エレメント内の電流を変化させるべく前記各電
   流調節電力源手段の電気的パラメータを変化させる手段
   と、 から成り、 いずれか一方の誘導エレメント内の電流が変化したと
   き、他方の誘導エレメントと接続する電流調節電力源手
   段は、他方の誘導エレメント内の誘導電流の変化を吸収
   して補償する、 ところの装置。
3. 【請求項３】前記誘導エレメントが超電導コイルであ
   り、前記エレメントが低温槽に収納されるところの特許
   請求の範囲第２項の装置。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第３項の装置であって、 Ｎ個の超電導持続スイッチにより、前記各誘導エレメン
   トが前記接続する電力供給源手段に相対的に接続され、 前記スイッチの起動のための前記低温槽の外部から内部
   への信号がＫ個の導体手段により伝達され、 Ｎよりも数の多いＫ個の入力信号から少なくともＮ個の
   識別可能な出力信号の選択的組み合わせがデコーディン
   グ回路手段により生成される、 ところの装置。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第４項の装置であって、 前記複数の超電導持続スイッチが、前記超電導持続スイ
   ッチの各々と接続される複数の超電導分路手段と、起動
   信号により起動される一つの熱源手段であって、前記複
   数の分路手段と熱的に接触するところの熱源手段とから
   なる装置により、一つの起動信号により同時に電気的に
   制御される、ところの装置。